Nicht viele Sterne können von sich behaupten, beinahe unser Verständnis vom Universum kaputt gemacht zu haben – aber ein Stern mit der Bezeichnung HD 140283 hätte es fast geschafft: Im Jahr 2000 schätzten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sein Alter auf 16 Milliarden Jahre. Und damit wäre dieser so unscheinbare Stern älter als das Universum selbst. Er liegt in rund 190 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Waage und ist von der Erde aus zwar nicht mit dem bloßen Auge, aber doch immerhin schon mit einem Fernglas sichtbar. Seinen Spitznamen als „Methusalem-Stern“ hat er sich damit mehr als verdient.

In den darauffolgenden Jahren korrigierten neue Messungen und Studien dieses Alter glücklicherweise nach unten. Inzwischen gilt HD 140283 zwar immer noch als alt, aber nicht mehr als älter als das Universum selbst. Trotz seines stolzen Alters ist eines wissenschaftlich sicher: Der Methusalem-Stern ist keiner von den allerersten Sternen, die es in unserem Universum je gegeben hat – doch auf die haben sie es abgesehen.

Forschende bezeichnen jene ersten Sterne im Universum auch als Sterne der Population III. Es sind die Sterne, die nach dem Urknall als erstes Licht ins Dunkel brachten. Damals, vor Milliarden von Jahren, gab es im Universum vor allem Wasserstoff und Helium. Erst die ersten Sterne haben jene massereicheren Elemente hergestellt, die wir heute kennen und schätzen – und ohne die es uns nicht geben würde: Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, und noch schwerere Elemente bis hin zum Eisen.

Somit ist zwar vollkommen klar, dass es diese ersten Sterne gegeben haben muss. Und doch haben Forschende noch nie einen solchen Stern beobachtet, trotz Jahrzehnten der intensiven Suche.

In dieser Folge erzählt Franzi von dieser Suche nach den Sternen der Population III, die Licht ins Universum gebracht haben – eine Suche, für die Forschende versuchen, mit dem James Webb-Weltraumteleskop so weit in die Vergangenheit zu blicken wie möglich. Aber auch unsere eigene Milchstraße bleibt ein möglicher Fundort für die wahren Methusalem-Sterne.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

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• Population III Sterne

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Zur allseitigen Beruhigung sei geschrieben, dass jegliche Enden des Universums in so unvorstellbar weiter Zukunft liegen, dass sie keinerlei Auswirkungen auf das Leben auf der Erde haben. Wir Menschen sind davon nicht betroffen.

Analog zum Begriff des Urknalls, auf Englisch „Big Bang“, werden vor allem drei verschiedene potenzielle Schicksale für unser Universum diskutiert: Da wäre der „Big Crunch“, bei dem das Universum in einer Art kosmischer Symmetrie am Ende wieder in sich zusammenstürzt – eine Art umgekehrter Urknall. Bei einem „Big Rip“ hingegen würde das genaue Gegenteil eintreten und das Universum würde sich so schnell ausdehnen, dass es letztendlich zerreißt – seinen gesamten Inhalt eingeschlossen. Der „Big Freeze“ hingegen bezeichnet den Kältetod des Universums: Im expandierenden Universum würden einfach nach und nach die Lichter ausgehen, Galaxien wären in so weiter Ferne, dass jede Sterneninsel für sich allein durchs All driftet und das Universum würde immer größer, kälter und leerer werden. Bis irgendwann gar nichts mehr passiert – und auch nie wieder passieren wird.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts erzählt Franzi vom ultimativen Schicksal unseres Universums, was mit ihm am Ende der Zeit passiert – und was die mysteriöse Dunkle Energie damit zu tun hat, die derzeit dafür sorgt, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.

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• Dunkle Energie
• Expansion des Universums

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Aus und vorbei – das Ende des Universums erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Es war einmal: der Urknall. Nachdem unser Universum wohl irgendwie entstanden war und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden hatten, dass es überhaupt einen Anfang gegeben hat, fanden sie auch heraus, dass die allerersten Elemente im Universum kurz nach dem Urknall entstanden sind, vor allem Wasserstoff und Helium. Doch wie ging es dann weiter?

Nun folgt das Ende des Anfangs: Es half dabei, dem Urknall-Modell zum wissenschaftlichen Durchbruch zu verhelfen. Dabei handelt es sich um ein Überbleibsel des Urknalls, das bis heute den ganzen Kosmos durchdringt – und dessen Entdeckung absoluter Zufall war: die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung.

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Der Beitrag AstroGeo Podcast: Das Ende des Anfangs – was vom Urknall übrigblieb erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

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• Urknall

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Unser schönes Universum, so majestätisch, so… ewig und unveränderlich? Als Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts seine Allgemeine Relativitätstheorie auf das gesamte Universum anwendete, gefiel ihm das Ergebnis ganz und gar nicht: Denn seine Theorie sagte ihm, dass das Universum entweder expandiert oder kollabiert, kurzum, dass es dynamisch sei. Das passte Einstein ganz und gar nicht – denn er lebte zu einer Zeit, als das Universum nur aus einer einzigen Galaxie, nämlich unserer Milchstraße, bestand und dazu noch statisch war. Das heißt: Das Universum verändert sich nicht. Es wird weder größer noch kleiner, es hat es schon immer gegeben und es wird es immer geben.

Wie ist unser Universum entstanden? Albert Einsteins Antwort darauf lautete zunächst: gar nicht.

In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi die Geschichte vom Anfang des Anfangs: Ein belgischer Priester und Physiker namens Georges Lemaître fand als Erster heraus, dass sich das Universum ausdehnt – und ist von dieser Expansion des Universums zu seinem Anfang gelangt, den wir heute Urknall nennen.

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Wir Menschen sind nichts Besonderes: Wir leben auf keinem besonderen Planeten, wir befinden uns in einer ganz und gar gewöhnlichen Galaxie. Ist dann wenigstens unser Universum etwas ganz Besonderes, das es so nur einmal gibt?
Normalerweise machen die harten Naturgesetze der Physik spannenden Ideen aus der Science Fiction eher einen Strich durch die Rechnung: Beamen? Geht nicht, gibt’s nicht. Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit? Kann man sich abschminken, ist rein physikalisch unmöglich. Und was ist mit dem bösen Doppelgänger, der im Paralleluniversum nebenan nur darauf lauert, die Herrschaft übers Multiversum an sich zu reißen?
In dieser Folge des AstroGeo-Podcast erzählt Franzi die Geschichte der Parallelwelten, Paralleluniversum, den Vielen Welten und dem Multiversum: Tatsächlich kennt die Physik nicht nur eine Art von Parallelwelt – sondern gleich mehrere! Leben wir tatsächlich in einem vor lauter Universen nur so blubbernden Multiversum? Gibt’s irgendwo da draußen vielleicht wirklich einen bösen – oder, noch viel schlimmer: einen guten! – Doppelgänger von uns allen? Vielleicht besteht das Paralleluniversum nebenan aus einem gigantischen Schwarzen Loch und sonst nichts? Und gibt es sie überhaupt?

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Quelle: WWU 6. Oktober 2023.

6. Oktober 2023 – Unter dem Titel „Zurück zum Urknall: kosmische Strahlung, kleinste Relikte und große Teleskope“ findet an der Universität Münster am 13. und 14. Oktober (Freitag und Samstag) das 24. Astroseminar statt. Referentinnen und Referenten von verschiedenen Universitäten, der Europäischen Weltraumorganisation ESA, dem münsterschen LWL-Museum für Naturkunde mit Planetarium und dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie geben Einblicke in die aktuelle Forschung. Am 14. Oktober können Interessierte zudem Teleskope basteln und am Tag der offenen Tür im Institut für Kernphysik teilnehmen.

Das Astroseminar ist ein Angebot junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Institute für Kernphysik und Theoretische Physik. Es richtet sich an Schülerinnen und Schüler, Studierende aller Fachbereiche und an alle anderen Interessierten. Vorkenntnisse sind nicht erforderlich. Die Teilnahme ist kostenlos und auch an einzelnen Programmpunkten möglich. Veranstaltungsort ist der Hörsaal 1 (HS 1), Wilhelm-Klemm-Straße 10. Das vollständige Programm gibt es unter www.uni-muenster.de/Physik.Astroseminar.

Flyer-Download:
https://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/physik_astroseminar/werbung/astroseminar_flyer_2023.pdf

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quellen: DESY, Universität Münster (WWU) 29. Juni 2023.

29. Juni 2023 – Astrophysikerinnen und Astrophysiker haben erstmals überzeugende Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen gefunden, die mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten schwingen. Dies geht aus fünf Artikeln hervor, die am 29. Juni in der Zeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht wurden. Dazu werteten die Forscherinnen und Forscher Daten aus 15 Jahren aus, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gesammelt hat. An einem der Forschungsartikel sind Kai Schmitz von der Universität Münster und Andrea Mitridate von DESY in Hamburg beteiligt. Diese Publikation beschäftigt sich mit der Hypothese, dass NANOGrav Gravitationswellen sieht, die im Urknall erzeugt wurden. Am NANOGrav-Konsortium sind neben dem Team der Universität Münster und von DESY auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover sowie von der Universität Mainz beteiligt.

Dies ist ein entscheidender Beleg für Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen“, betont Stephen Taylor von der Vanderbilt University (USA), der die Suche mit geleitet hat und derzeit der Kollaboration vorsitzt. „Nach jahrelanger Arbeit öffnet NANOGrav ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum.“

Das NANOGrav-Konsortium, ein Zusammenschluss von mehr als 190 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, beobachtet Pulsare in unserer Galaxie mit großen Radioteleskopen und sucht dabei nach Gravitationswellen. Ein Pulsar ist der extrem dichte Überrest des Kerns eines massereichen Sterns nach dessen Lebensende in einer Supernova-Explosion. Pulsare drehen sich schnell und senden Strahlen von Radiowellen durch den Weltraum, sodass sie von der Erde aus gesehen zu pulsieren scheinen. „Wenn der Pulsar richtig orientiert ist, lässt sich dieses sehr regelmäßige Signal von der Erde aus messen. Man kann den Effekt mit dem Lichtkegel eines Leuchtturms vergleichen, der in einem bestimmten Takt aufblitzt – nur dass Pulsare viel schneller blinken; im Falle der von NANOGrav beobachteten Pulsare sogar im Millisekundentakt“, veranschaulicht Schmitz, Juniorprofessor am Institut für Theoretische Physik der Universität Münster, der dem NANOGrav-Konsortium angehört.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt genau voraus, wie Gravitationswellen Pulsarsignale beeinflussen sollten. Durch die Dehnung und Stauchung der Raumstruktur beeinflussen die Gravitationswellen die Ankunftszeit jedes Pulses auf eine kleine, aber vorhersehbare Weise, indem sie einige Pulse verzögern und andere früher die Erde erreichen lassen. Abweichungen nach einem bestimmten Muster, das sich auf langsam wogende (niederfrequente) Gravitationswellen zurückführen lässt, zeichnen sich nun in den Daten von 68 beobachteten Pulsaren ab, die das Konsortium in 15 Jahren Forschungsarbeit zusammengetragen hat. Frühere Ergebnisse von NANOGrav hatten zwar bereits ein rätselhaftes Signal in den gemessenen Zeitreihen enthüllt, das allen beobachteten Pulsaren gemeinsam war. Es war aber zu schwach, um daraus Rückschlüsse über seinen Ursprung zu ziehen.

Der jüngste Datensatz von NANOGrav zeigt nun zunehmend klare Hinweise auf Gravitationswellen mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten. Diese Wellen könnten von umkreisenden Paaren der massereichsten Schwarzen Löcher im gesamten Universum ausgehen: Sie sind Milliarden Mal massereicher als die Sonne und größer als der Abstand zwischen Erde und Sonne. Aus der Überlagerung der Signale vieler einzelner Schwarzlochpaare ergibt sich ein diffuses Gravitationswellen-Hintergrundrauschen. Zukünftige Studien dieses Signals werden ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum öffnen und unter anderem Einblicke in die Verschmelzung gigantischer Schwarzer Löcher in fernen Galaxien gewähren.

Zum Hintergrund: Im Gegensatz zu den niederfrequenten Gravitationswellen, die nur mit Pulsaren detektiert werden können, können flüchtige hochfrequente Gravitationswellen von bodengestützten Instrumenten wie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) beobachtet werden. Für die erste direkte Messung von hochfrequenten Gravitationswellen mit dem LIGO-Detektor im Jahr 2015 erhielten Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne 2017 den Nobelpreis für Physik. Die neuen NANOGrav-Ergebnisse erschließen nun ein neues Frequenzband im Gravitationswellenspektrum, das in Relation zum LIGO-Frequenzband steht, wie etwa langwellige Radiowellen im elektromagnetischen Spektrum in Relation zu sichtbarem Licht stehen. Zudem ist NANOGrav keinen flüchtigen Gravitationswellen auf der Spur, sondern einem kontinuierlichen Hintergrundrauschen, das die Erde permanent und aus allen Richtungen erreicht.

Die Veröffentlichung der Ergebnisse von NANOGrav ist mit Gravitationswellen-Forschungsteams aus der ganzen Welt abgestimmt, die am 29. Juni ebenfalls jeweils neue Ergebnisse präsentieren. Neben NANOGrav sind dies weitere sogenannte Pulsar-Timing-Array-Konsortien aus Australien, China, Europa, und Indien, die zusammen im International Pulsar Timing Array (IPTA) organisiert sind.

Beitrag von Kai Schmitz und seiner Arbeitsgruppe (Universität Münster) und Andrea Mitridate (DESY) zu den NANOGrav-Veröffentlichungen vom 29. Juni
Das von NANOGrav gesehene Signal könnte auch einen kosmologischen Beitrag in Form von Gravitationswellen aus dem frühen Universum erhalten. Diese Hypothese wird in einer der fünf nun veröffentlichten Studien im Detail untersucht, die Kai Schmitz mit Andrea Mitridate, Postdoktorand bei DESY, leitete. „In unserer Arbeit“, führt Andrea Mitridate aus, „nehmen wir die Möglichkeit unter die Lupe, dass NANOGrav im Urknall erzeugte Gravitationswellen sieht – anstelle eines Signals astrophysikalischen Ursprungs, das von gigantischen Schwarzen Löchern ausgesendet wird, die einander im Zentrum von Galaxien umkreisen.“ Ein solcher Ur-Gravitationswellenhintergrund sollte als Gravitationspendant zum kosmischen Mikrowellenhintergrund – dem in den 1960er Jahren entdeckten „Nachglühen“ des Urknalls – angesehen werden.

„Viele Theorien zu neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik sagen die Entstehung von Gravitationswellen im Urknall voraus, darunter Phänomene wie kosmische Inflation, kosmologische Phasenübergänge oder sogenannte kosmische Strings“, erklärt Kai Schmitz. Andrea Mitridate ergänzt: „In diesem Sinne ermöglichen uns die NANOGrav-Daten, Modelle neuer Physik bei Energien zu untersuchen, die in Laborexperimenten auf der Erde unerreichbar sind.“ Es bedarf jedoch weiterer Untersuchungen, um festzustellen, ob sich letztlich die astrophysikalische Interpretation in Form von Doppelsystemen aus extrem massereichen Schwarzen Löchern oder die kosmologische Interpretation in Form von Gravitationswellen aus dem Urknall durchsetzen wird.

Forschungsförderung
Die Arbeit von NANOGrav erhielt finanzielle Unterstützung durch das Physics Frontiers Center der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) (Preisnummer 1430284 und 2020265), die Gordon and Betty Moore Foundation, die NSF (AccelNet-Preisnummer 2114721), ein Discovery Grant des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und das Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR). Das Arecibo-Observatorium ist eine Einrichtung der NSF. Sie wird im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung (#AST-1744119) von der University of Central Florida (UCF) in Zusammenarbeit mit der Universidad Ana G. Méndez (UAGM) und Yang Enterprises (YEI), Inc, betrieben. Das Green Bank Observatory und das National Radio Astronomy Observatory sind Einrichtungen der NSF, die im Rahmen von Kooperationsvereinbarungen durch Associated Universities, Inc, betrieben werden.

Originalveröffentlichung mit Beteiligung der Arbeitsgruppen von Universität Münster und DESY
Adeela Afzal et al./ The NANOGrav Collaboration (2023): The NANOGrav 15-year Data Set: Search for Signals from New Physics. The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.3847/2041-8213/acdc91, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91/pdf

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 22. März 2023.

Bis Ende Oktober 2023 sind es insgesamt acht Vorträge zu unterschiedlichen astronomischen Themen. Sie reichen in diesem Jahr von komplexen Molekülen über Jets in den Zentren aktiver Galaxien im Universum und extrasolare Planeten bis zum Abschlussvortrag über die fliegende Sternwarte SOFIA, die leider ihren Betrieb im Herbst des vergangenen Jahres eingestellt hat.

Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie bietet seit einer Reihe von Jahren in Zusammenarbeit mit der Kurverwaltung/Tourist-Information eine öffentliche Vortragsreihe in Bad Münstereifel an. Die Vorträge finden zwischen April und November einmal pro Monat jeweils an einem Mittwoch (meist der 1. Mittwoch im Monat), statt und beginnen um 19:30 Uhr.

Die Vorträge werden im Rats- und Bürgersaal im 1. Stock des Rathauses von Bad Münstereifel (Marktstraße 15) durchgeführt. Der Eintritt zu den Vorträgen ist frei. Eine vorherige Anmeldung für die Vorträge ist nicht erforderlich.

Das Programm für 2023 umfasst wiederum eine Vielzahl von unterschiedlichen Themen, die vom Urknall und der frühen Geschichte der Radioastronomie in Bonn bis zu komplexen Molekülen im Universum, der Erforschung von Planeten um andere Sonnen und neuen Ergebnissen mit dem weltumspannenden Event-Horizon-Teleskop reichen. Es geht dabei um Jets in den Zentren von aktiven Galaxien, um die Untersuchung der Galaxienentwicklung durch radioastronomische Beobachtungen von Wasserstoff, um eine Darstellung des Universums als Ganzes und schließlich, im Abschlussvortrag des diesjährigen Programms, um ein Fazit der erfolgreichen Untersuchungen des Kosmos mit dem Flugzeugobservatorium SOFIA, das bis Herbst letzten Jahres in einer Höhe von über 13 km in der Stratosphäre zum Einsatz kam.

Neben den Themenvorträgen in Bad Münstereifel finden bereits ab Samstag, 1. April 2023, wiederum Vorträge für Besuchergruppen in einem Pavillon in direkter Sichtweite des 100-m-Radioteleskops statt. Sie werden von dienstags bis samstags für Besuchergruppen ab acht Personen durchgeführt (Anmeldung unter 02257-301101, Mo-Fr vormittags, oder per Internet via public(at)mpifr.de). Vom Besucherpavillon aus führt ein Zugangsweg zum Aussichtsplateau unmittelbar vor dem großen Teleskopspiegel von 100 Metern Durchmesser und von dort über einen kurzen Pfad durch den Wald bis zum zweiten Radioteleskop vor Ort, der Effelsberg-Station des europäischen LOFAR-Teleskopnetzwerks.

Vortragsprogramm Bad Münstereifel 2023

• 5. April 2023 Laura Ann Busch, M. Sc.: Interstellare komplexe Moleküle und wo sie zu finden sind
• 26. April 2023 Joana Anna Kramer, M. Sc.: Jets in den Zentren von aktiven Galaxien
• 31. Mai 2023 Dr. Norbert Junkes: Planeten um andere Sonnen
• 6. Juli 2023 Priv.-Doz. Dr. Helmut Kühr: Unser Universum
• 2. August 2023 Prof. Dr. Uli Klein: Die fünf Säulen des Urknalls
• 23. August 2023 Dr. Gyula I. G. Józsa: Galaxienentwicklung und Wasserstoffgas beobachtet mit Radioteleskopen
• 4. Oktober 2023 Priv.-Doz. Dr. Jürgen Kerp: Wie kam die Radioastronomie nach Bonn?
• 25.Oktober 2023 Dr. Alessandra Roy: SOFIA – die fliegende Sternwarte im Ruhestand

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/vortraege/bme2023

Eröffnungsvortrag
Interstellare komplexe Moleküle und wo sie zu finden sind
Eröffnungsvortrag am Mittwoch, 5. April 2023, 19:30 Uhr
Laura Ann Busch, M. Sc., MPIfR Bonn

Die Zahl neu detektierter Moleküle im interstellaren Medium steigt in den letzten Jahren dank immer empfindlicherer Teleskope rasant und sie wurden mittlerweile in allen Phasen der Sternentstehung entdeckt. Es stellen sich somit die Fragen: Wie komplex kann die Materie zwischen den Sternen werden? Wie entwickelt sich die komplexe interstellare Chemie von der dunklen Wolke bis hin zur Entstehung des Sterns und seiner Planeten? Und welche Rolle spielen diese Moleküle als Bausteine noch komplexerer Moleküle und letztlich der Entstehung von Leben?

Biographische Angaben:
Laura Ann Busch hat in Bonn Physik und Astrophysik studiert und promoviert jetzt am Max-Planck-Institut für Radioastronomie im Rahmen des DFB-Sonderforschungsbereichs 956 und der „International Max Planck Research School for Astronomy and Astrophysics“ (IMPRS). Ihre Arbeit dreht sich dabei rund um Moleküle, wie sie entstehen und zerstört werden und was sie über die Region, in der sie beobachtet werden, verraten.

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

Der Beitrag MPIfR: Vom Urknall bis in die Zentren aktiver Galaxien erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Sie sind heller als jeder Stern und halten länger durch als jede Supernova: Die allerhellsten Lichter am Himmel sind Quasare. Zwar war der Begriff „Quasar“ schnell gefunden, nachdem der allererste Kandidat – namens 3C 273 – in den 1960er-Jahren aufgestöbert worden war: „Quasar“ steht für „quasi-stellar radio source“, also: Sieht aus wie ein Stern, aber eben nur fast, und auch übrigens hauptsächlich im Radiobereich.

Doch was verbirgt sich eigentlich hinter den Quasaren? Die allerhellsten Objekte im Universum werden von den dunkelsten Objekten im Universum angetrieben: von supermassereichen Schwarzen Löchern, die sich in den Zentren von Galaxien verbergen.

Franzi erzählt die Geschichte, wie Quasare entdeckt wurden: Warum diese exotischen Objekte es schaffen, so hell zu leuchten, was die Expansion unseres Universums damit zu tun hat, warum Quasare nur eine Phase für eine Galaxie sind – und warum es für uns ziemlich praktisch ist, dass unsere eigene Galaxie derzeit keinen Quasar in ihrem galaktischem Zentrum beherbergt.

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Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Quasisterne in der Ferne erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 6. Dezember 2022.

6. Dezember 2022 – Den Materiezustand kurz nach dem Urknall, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, erforscht das ALICE-Experiment am Teilchenbeschleunigerzentrum CERN in Genf, wo Blei-Ionen miteinander kollidieren und für winzige Sekundenbruchteile ein solches Quark-Gluon-Plasma entstehen lassen. Jetzt wurden am CERN für das ALICE-Experiment in einem Testlauf erstmals Kollisionsenergien von 5,36 Teraelektronenvolt pro Blei-Blei-Kollision erzeugt, die weltweit höchste bislang erreichte Kollisionsenergie. Forschende um Harald Appelshäuser von der Goethe-Universität haben den zentralen ALICE-Detektor auf die nun höheren Kollisionsraten vorbereitet und hoffen auf neue Erkenntnisse über die Entstehung des Universums.

Wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall lag die gesamte Materie des Universums in einer Art „Elementarteilchen-Suppe“ als so genanntes Quark-Gluon-Plasma vor. Solch ein Quark-Gluon-Plasma lässt sich in Teilchenbeschleunigern für extrem kurze Zeit erzeugen, wenn man schwere Ionen kollidieren lässt. Daher sind die Kollisionen von Blei-Ionen von zentraler Bedeutung für das ALICE Experiment am Beschleunigerzentrum CERN, das die Eigenschaften von Materie, wie sie kurz nach dem Urknall vorgelegen hat, untersuchen möchte.

Während einer vierjährigen Umbauphase von 2018 bis 2022 wurde der weltweit stärkste Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider am CERN, nochmals verbessert und kann jetzt deutlich mehr Bleiionen beschleunigen als zuvor. Auch der ALICE Detektor wurde in dieser Zeit ertüchtigt, um die höheren Kollisionsraten, die der LHC in Zukunft liefern wird, aufzeichnen zu können. Hierzu war es notwendig, die Auslesedetektoren des zentralen Detektors des Experiments, der sogenannten Spurendriftkammer TPC (engl. Time Projection Chamber) komplett auszutauschen. Die Projektleitung dieses bislang zehnjährigen Unterfangens liegt bei Prof. Harald Appelshäuser vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt. Die neue TPC soll es unter anderem ermöglichen, die Temperatur des Quark-Gluon-Plasmas zu bestimmen, das während der Blei-Blei-Kollision entsteht.

Mit den jetzt am CERN durchgeführten Tests mit Blei-Ionen können die ALICE-Forscherinnen und Forscher überprüfen, ob die Auslese und Signalverarbeitung wie erwartet funktionieren. Eine große Herausforderung sind dabei die enormen Datenmengen, die während der Messungen anfallen und allein für die TPC im Bereich von mehreren Terabyte pro Sekunde liegen. Dieser Datenstrom muss in Echtzeit mit effektiven Mustererkennungsmethoden prozessiert werden, um die gespeicherte Menge der Daten ausreichend reduzieren zu können.

Eigens hierzu wurde das Rechencluster EPN (Event Processing Nodes) für das Experiment aufgebaut. Das EPN-Cluster basiert sowohl auf konventionellen Prozessoren (CPUs) als auch auf speziellen Grafikprozessoren. Die Leitung dieses Projekts liegt bei Prof. Volker Lindenstruth, Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und Institut für Informatik der Goethe-Universität.

Die ersten Messungen bei der neuen Energie sind ein großer Erfolg für das Schwerionenprogramm am CERN. Prof. Harald Appelshäuser sagt: “Wir können es kaum erwarten, dass es nun wirklich losgeht mit den Messungen.”

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Universität Hamburg 25. Oktober 2022.

Die Ausstellung ist ein einzigartiges Kooperationsprojekt zwischen den Hamburger Wissenschaftseinrichtungen Universität Hamburg und ihrem Exzellenzcluster Quantum Universe mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Museum der Arbeit. Es macht die Spitzenforschung der Hansestadt für ihre Bürgerinnen und Bürger erfahrbar und bietet auch ein umfangreiches Begleitprogramm für Kinder und Jugendliche.

Auf der Reise zum Ursprung des Universums geht es dabei mehr als 13 Milliarden Jahre zurück. Die Ausstellung gibt spannende Einblicke in die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse in der Teilchenphysik, Astroteilchenphysik und Kosmologie und präsentiert sie auf interaktive Weise: Eine Funkenkammer macht die allgegenwärtige Strahlung sichtbar, die an den Grenzen unserer Atmosphäre beim Aufprall hochenergetischer Teilchen aus den Tiefen des Weltalls entsteht. In der interaktiven Installation „Big Bang“ können die Besucherinnen und Besucher das frühe Universum entdecken und durch das Zeitalter der Elementarteilchen navigieren oder sich in der „Dark Matter Simulation“ anschauen, was ein veränderter Anteil von Dunkler Materie in Sternensystemen für Effekte hat.

Prof. Dr. Rita Müller, Direktorin des Museums der Arbeit: „Das Museum der Arbeit hat sich in seinen Ausstellungen der letzten Jahre mit vielen besonders relevanten Themen auseinandergesetzt – von der zunehmenden Bedeutung der künstlichen Intelligenz über die Rolle von Hamburger Unternehmen im Kolonialismus bis hin zum Umgang mit gesellschaftlichen Konflikten. Der Blick dieser Ausstellungen richtete sich vornehmlich auf die jüngere Geschichte und die unmittelbare Gegenwart. Mit der Ausstellung „Wie alles begann“ lädt das Museum nun zu einer Zeitreise zum Ursprung unseres Universums ein und präsentiert auf anschauliche Weise die aktuellsten Erkenntnisse aus der Physik und die Arbeit der Forschenden. Ich freue mich sehr, dass dieses außergewöhnliche Ausstellungsprojekt im Museum der Arbeit zu sehen ist und danke allen beteiligten wissenschaftlichen Institutionen für die großartige Zusammenarbeit.“

Prof. Dr. Hauke Heekeren, Präsident der Universität Hamburg: „Wer möchte nicht mehr über ihn wissen – über den Ursprung unseres Universums? Das geht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nicht anders als interessierten Bürgerinnen und Bürgern. Daher ist es für uns als Hochschule ein ganz elementarer Teil unserer Aufgabe, uns in die Gesellschaft zu öffnen und zum Beispiel mit Ausstellungen und Kooperationen wie dieser unser Wissen zu vermitteln, auch außerhalb unseres eigenen Wirkungskreises. Ich freue mich sehr über dieses besondere Projekt von unserem Exzellenzcluster Quantum Universe, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Museum der Arbeit, mit welchem die Universität Hamburg auch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder umsetzen.“

Prof. Dr. Beate Heinemann, DESY-Direktorin für den Forschungsbereich Teilchenphysik: „Das Universum strahlt eine geradezu unglaubliche Faszination aus, die uns Forschende antreibt, ihm seine vielen Geheimnisse zu entlocken. Wo kommen wir her, wo gehen wir hin – diese Forschung hat Einfluss auf unsere Kultur und unser Denken. Mit der Ausstellung „Wie alles begann“ nehmen wir Bürgerinnen und Bürger mit auf eine Reise durchs Universum und lassen sie an unserer Forschung und unserer Faszination fürs Universum teilhaben.“

Dr. Nina Lemmens, Programmvorständin der Joachim Herz Stiftung: „Woraus besteht unser Universum? Hat das Universum einen Anfang und ein Ende? – Diese Fragen stoßen gerade bei Jugendlichen auf großes Interesse. Ich freue mich sehr, dass die Joachim Herz Stiftung mit ihrer Förderung zum Gelingen dieser spannenden Ausstellung beitragen konnte. Entstanden sind so auch Führungen für Schulklassen der Sekundarstufe I oder II und passende digitale Unterrichtsmaterialien, die zur Vor- und Nachbereitung des Ausstellungsbesuches eingesetzt werden können. Die digitalisierten Ausstellungsinhalte können darüber hinaus auch außerhalb von Hamburg oder nach Ausstellungsende im Unterricht genutzt werden. Das alles vermittelt den Jugendlichen anschaulich zentrale Erkenntnisse aus der Teilchenphysik, der Astrophysik und der Kosmologie.“

Wer sich am Schluss seines Ausstellungsrundgangs eine Vorstellung vom Ende des Universums machen will, kann in einer begehbaren Installation zwischen drei möglichen Szenarien, Big Crunch, Big Rip oder Big Freeze, wählen. Zum Auspowern gibt es außerdem die Möglichkeit, eine Runde Protonen-Fußball zu spielen oder die eigene Muskelkraft bei der Trennung von Quarks in Atomkernen zu testen.

Erweitert wird die Ausstellung durch Werke von fünf Hamburger Kunstschaffenden, die Fragen nach der Unendlichkeit des Weltalls, der Erforschung des Urknalls und die damit verbundenen Vorstellungen aus einer künstlerischen Sichtweise erfahrbar machen. Außerdem gibt es ein umfangreiches Begleitprogramm für Kinder und Jugendliche.

Die Ausstellung wurde ursprünglich von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften/Institut für Hochenergiephysik in Wien (HEPHY) und dem Naturhistorischen Museum (NHM) Wien entwickelt, wo sie 2016/17 gezeigt wurde. Im Rahmen des Exzellenzclusters Quantum Universe der Universität Hamburg wurde das Ausstellungskonzept übernommen und in Zusammenarbeit mit DESY um die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse und Einblicke in die Hamburger Forschung ergänzt.

Förderer der Ausstellung sind die Joachim Herz Stiftung und die Behörde für Wissenschaft, Forschung und Gleichstellung.

Veranstaltungsort:
Museum der Arbeit
Sonderausstellung „Wie alles begann: Von Galaxien, Quarks und Kollisionen“
Wiesendamm 3
22305 Hamburg
(direkt am U-/S-Bahnhof Barmbek)

Weitere Informationen:

Informationen zur Ausstellung (Museumsseite)

„Wissenswelle“: Podcast der Universität Hamburg zur Ausstellung und zum Urknall

Online Guide zur Ausstellung

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Der Beitrag „Wie alles begann: Von Galaxien, Quarks und Kollisionen“ – Eine Reise zum Ursprung des Universums erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 7. Juni 2022.

7. Juni 2022 – Die Reionisation begann, als sich die erste Generation von Sternen nach dem kosmischen „dunklen Zeitalter“ bildete, einer Periode, in der nur neutrales Gas das Universum ohne Lichtquellen erfüllte. Das neue Ergebnis beendet eine Debatte und ergibt sich aus den Strahlungssignaturen von 67 Quasaren mit Anzeichen des Wasserstoffgases, das das Licht durchquerte, bevor es die Erde erreichte. Die genaue Bestimmung des Endes dieser „kosmischen Dämmerung“ wird helfen, die ionisierenden Quellen zu identifizieren.

Das Universum hat von seinen Anfängen bis zu seinem heutigen Zustand verschiedene Phasen durchlaufen. In den ersten 380.000 Jahren nach dem Urknall war es ein heißes und dichtes ionisiertes Plasma. Danach kühlte es so weit ab, dass sich die Protonen und Elektronen, die das Universum erfüllten, zu neutralen Wasserstoffatomen verbinden konnten. Während der meisten Zeit während dieses „dunklen Zeitalters“ gab es im Universum keine sichtbaren Lichtquellen. Mit dem Auftauchen der ersten Sterne und Galaxien etwa 100 Millionen Jahre später wurde dieses Gas durch die ultraviolette (UV-)Strahlung der Sterne allmählich wieder ionisiert. Bei diesem Prozess werden die Elektronen von den Protonen getrennt, so dass sie als freie Teilchen übrigbleiben. Diese Epoche wird gemeinhin als „kosmische Dämmerung“ bezeichnet. Heute ist der gesamte Wasserstoff, der sich zwischen den Galaxien ausbreitet, das intergalaktische Gas, vollständig ionisiert. Wann dies geschah, ist jedoch ein heftig diskutiertes Thema unter Wissenschaftlern und ein hart umkämpftes Forschungsgebiet.

Ein spätes Ende der kosmischen Dämmerung
Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung von Sarah Bosman vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg hat nun das Ende der Reionisationsepoche auf 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall genau datiert. „Ich bin fasziniert von der Vorstellung der verschiedenen Phasen, die das Universum bis zur Entstehung von Sonne und Erde durchlaufen hat. Es ist ein großes Privileg, ein neues kleines Stück zu unserem Wissen über die kosmische Geschichte beizutragen“, sagt Sarah Bosman. Sie ist die Hauptautorin des Forschungsartikels, der heute in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erscheint.

Frederick Davies, ebenfalls Astronom am MPIA und Mitverfasser des Artikels, kommentiert: „Bis vor ein paar Jahren war die vorherrschende Meinung, dass die Reionisierung fast 200 Millionen Jahre früher abgeschlossen war. Hier haben wir nun den bisher stärksten Beweis dafür, dass der Prozess viel später endete, während einer kosmischen Epoche, die mit den Beobachtungseinrichtungen der heutigen Generation leichter zu beobachten ist.“ Diese Zeitkorrektur mag angesichts der Milliarden von Jahren seit dem Urknall marginal erscheinen. Ein paar hundert Millionen Jahre mehr reichten jedoch aus, um mehrere Dutzend Sterngenerationen in der frühen kosmischen Entwicklung hervorzubringen. Der Zeitpunkt der „kosmischen Dämmerung“ gibt Aufschluss über die Art und die Lebensdauer der ionisierenden Quellen, die während der Hunderte von Millionen Jahren, die sie dauerte, vorhanden waren.

Dieser indirekte Ansatz ist derzeit die einzige Möglichkeit, die Objekte zu charakterisieren, die den Prozess der Reionisation vorangetrieben haben. Die direkte Beobachtung dieser ersten Sterne und Galaxien übersteigt die Möglichkeiten der heutigen Teleskope. Sie sind einfach zu lichtschwach, um innerhalb eines angemessenen Zeitraums brauchbare Daten zu erhalten. Selbst Einrichtungen der nächsten Generation wie das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO oder das James Webb Space Telescope täten sich mit einer solchen Aufgabe schwer.

Quasare als kosmische Sonden
Um zu untersuchen, wann das Universum vollständig ionisiert war, wenden Wissenschaftler verschiedene Methoden an. Eine davon besteht darin, die Emission von neutralem Wasserstoffgas in der berühmten 21-Zentimeter-Spektrallinie zu messen. Sarah Bosman und ihre Kollegen analysierten stattdessen das von starken Hintergrundquellen empfangene Licht. Sie untersuchten 67 Quasare, die hellen Scheiben aus heißem Gas, die die zentralen massereichen schwarzen Löcher in weit entfernten aktiven Galaxien umgeben. Bei der Betrachtung eines Quasarspektrums, das die Intensität des Lichts über die beobachteten Wellenlängen verteilt darstellt, finden die Astronomen Muster, in denen das Licht zu fehlen scheint. Dies bezeichnen die Wissenschaftler als Absorptionslinien. Neutrales Wasserstoffgas absorbiert diesen Teil des Lichts auf seinem Weg von der Quelle zum Teleskop. Die Spektren dieser 67 Quasare sind von einer noch nie dagewesenen Qualität, was für den Erfolg dieser Studie entscheidend war.

Bei der Methode wird eine Spektrallinie untersucht, die einer Wellenlänge von 121,6 Nanometern entspricht (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters). Diese Wellenlänge gehört zum UV-Bereich und ist die stärkste Spektrallinie des Wasserstoffs. Durch die kosmische Expansion verschiebt sich das Quasarspektrum jedoch zu größeren Wellenlängen, je weiter sich das Licht ausbreitet. Daher kann die Rotverschiebung der beobachteten UV-Absorptionslinie in eine Entfernung von der Erde umgerechnet werden. In dieser Studie hatte der Effekt die UV-Linie in den Infrarotbereich verschoben, als sie das Teleskop erreichte.

Je nach dem Verhältnis zwischen neutralem und ionisiertem Wasserstoffgas erreicht der Absorptionsgrad bzw. umgekehrt die Durchlässigkeit durch eine solche Wolke einen bestimmten Wert. Wenn das Licht auf eine Region mit einem hohen Anteil an ionisiertem Gas trifft, kann es die UV-Strahlung nicht so effizient absorbieren. Genau nach dieser Eigenschaft hat das Team gesucht.

Das Quasarlicht durchläuft auf seinem Weg viele Wasserstoffwolken in unterschiedlichen Entfernungen, die jeweils bei kleineren Rotverschiebungen vom UV-Bereich ihren Abdruck hinterlassen. Theoretisch sollte die Analyse der Änderung der Durchlässigkeit pro rotverschobener Linie den Zeitpunkt oder die Entfernung ergeben, zu der das Wasserstoffgas vollständig ionisiert war.

Modelle helfen, konkurrierende Einflüsse zu unterscheiden
Leider ist die Sachlage noch komplizierter. Seit dem Ende der Reionisation ist nur der intergalaktische Raum vollständig ionisiert. Es gibt ein Netz aus teilweise neutraler Materie, das Galaxien und Galaxienhaufen miteinander verbindet, das so genannte „kosmische Netz“. Wo der Wasserstoff neutral ist, hinterlässt er im Quasarlicht ebenfalls seine Spuren.

Um diese Einflüsse unterscheiden zu können, wandte das Team ein physikalisches Modell an, das Veränderungen im Licht reproduziert, die in einer viel späteren Epoche gemessen wurden, als das intergalaktische Gas bereits vollständig ionisiert war. Als sie das Modell mit ihren Ergebnissen verglichen, entdeckten sie eine Abweichung bei einer Wellenlänge, bei der die 121,6-Nanometer-Linie um einen Faktor von 5,3 verschoben war, was einem kosmischen Alter von 1,1 Milliarden Jahren entspricht. Dieser Übergang zeigt den Zeitpunkt an, an dem Veränderungen im gemessenen Quasarlicht nicht mehr mit den Fluktuationen des kosmischen Netzes allein vereinbar sind. Das war also der späteste Zeitraum, in dem neutrales Wasserstoffgas im intergalaktischen Raum vorhanden gewesen sein muss und anschließend ionisiert wurde. Das war das Ende der „kosmischen Dämmerung“.

Aussicht auf eine strahlende Zukunft
„Dieser neue Datensatz ist ein entscheidender Prüfstein, an dem sich numerische Simulationen der ersten Milliarden Jahre des Universums in den kommenden Jahren messen lassen werden“, sagt Frederick Davies. Sie werden helfen, die ionisierenden Quellen, die allerersten Generationen von Sternen, zu charakterisieren.
„Die aufregendste Richtung für unsere weitere Arbeit ist die Ausweitung auf noch frühere Zeiten, auf die Mitte des Reionisationsprozesses“, betont Sarah Bosman. „Leider bedeuten größere Entfernungen, dass diese früheren Quasare deutlich schwächer sind. Daher wird die größere Sammelfläche von Teleskopen der nächsten Generation wie dem ELT entscheidend sein.“

Weitere Informationen
Von den 67 Quasaren, die in dieser Studie verwendet wurden, stammen 25 aus der XQR-30-Durchmusterung. Dabei handelt es sich um ein umfangreiches Beobachtungsprogramm von fast 250 Stunden, um qualitativ hochwertige Spektren von 30 Quasaren mit dem X-shooter Spektrografen der Europäischen Südsternwarte (ESO) am UT3 des Very Large Telescope (VLT) zu erhalten. XQR-30 ist ein internationales Kooperationsprojekt zwischen 17 Instituten auf fünf Kontinenten unter der Leitung des MPIA, des INAF in Triest, Italien (Heimatinstitut der Hauptforscherin und Mitautorin Valentina D’Odorico), und der Universität Swinburne in Australien. X-shooter wurde von einem Konsortium von Instituten in Dänemark, Frankreich, Italien und den Niederlanden zusammen mit der ESO gebaut.

Das Team am MPIA besteht aus Sarah E. I. Bosman, Frederick B. Davies, Romain A. Meyer, Masafusa Onoue (jetzt Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University, Beijing, China), Jan-Torge Schindler (jetzt Sternwarte Leiden, Universität Leiden, Niederlande) und Fabian Walter.

Die übrigen Teammitglieder sind George D. Becker (Department of Physics & Astronomy, University of California, Riverside, USA [UCR]), Laura C. Keating (Leibniz-Institut für Astrophysik, Potsdam, Deutschland [AIP]), Rebecca L. Davies (Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Australien [CAS] und ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D), Australien [ARC]), Yongda Zhu (UCR), Anna-Christina Eilers (MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Cambridge, USA), Valentina D’Odorico (INAF-Osservatorio Astronomico di Trieste, Italien [INAF Trieste] und Scuola Normale Superiore, Pisa, Italien [SNS]), Fuyan Bian (European Southern Observatory, Vitacura, Santiago, Chile [ESO]), Manuela Bischetti (INAF Trieste und INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), Stefano V. Cristiani (INAF Trieste), Xiaohui Fan (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA [Steward]), Emanuele P. Farina (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching bei München, Deutschland), Martin G. Haehnelt (Institute of Astronomy and Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, UK), Joseph F. Hennawi (Department of Physics, Broida Hall, University of California, Santa Barbara, USA und Sternwarte Leiden, Universität Leiden, Niederlande), Girish Kulkarni (Department of Theoretical Physics, Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai, India), Andrei Mesinger (SNS), , Andrea Pallottini (INAF Trieste), Yuxiang Qin (School of Physics, University of Melbourne, Parkville, Australien und ARC), Emma Ryan-Weber (CAS und ARC), Feige Wang (Steward) und Jinyi Yang (Steward).

Originalpublikation
Sarah E. I. Bosman, Frederick B. Davies, et al., „Hydrogen reionisation ends by z=5.3: Lyman-α optical depth measured by the XQR-30 sample“ in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2022).
https://arxiv.org/abs/2108.03699

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• Reionisationsepoche

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Hundert Jahre lang hat die Suche nach Gravitationswellen gedauert: jene Kräuselungen in der Raumzeit, die das Universum zum Tschilpen und Brummen bringen. Auch am Südpol hatten Forscherinnen und Forscher danach gesucht, analysierten jahrelang ihre Daten und konnten so schließlich im Jahr 2014 verkünden: Gefunden! Und, was ziemlich praktisch war: Jene Gravitationswellen wären ein Beleg dafür, dass sich der Urknall und die anschließende kosmische Inflation genauso abgespielt haben, wie man sich das standardmäßig vorstellt. Dieser Beleg wäre damit auch noch gleich erbracht.

Doch statt dem Happy End gab es Pleiten, Pech und Pannen: Das Gravitationswellensignal zerfiel nur wenig später zu Staub. Franzi erzählt Karl die Geschichte von BICEP2, der Jagd nach primordialen Gravitationswellen und was das alles mit einem sich exponentiell schnell aufblähenden Universum und interstellarem Staub zu tun hat.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

13. April 2022 – Es ist ruhig geworden um den Large Hadron Collider LHC, einen Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN in Genf – zumindest in der Öffentlichkeit. Im Jahr 2008 in Betrieb gegangen, war es anfangs wesentliches Ziel, mit Hilfe des 27 Kilometer langen Rings aus supraleitenden Magneten das viele Jahrzehnte gesuchte Higgs-Teilchen nachzuweisen und zu vermessen. Das ist im Jahr 2012 gelungen; die beiden Physiker, die dessen Existenz vorhergesagt hatten, erhielten 2013 den Nobelpreis in Physik.

Dass der LHC in den vergangenen Monaten in den Medien nicht mehr präsent war, hat einen simplen Grund: Seit Januar 2019 ruht der Betrieb. Während des planungsmäßigen Shutdowns wird bis Mitte 2022 intensiv an technischen Verbesserungen gearbeitet. Während die Protonen bislang mit der zuvor nie erreichten Energie von 13 Teraelektronenvolt (TeV) kollidierten, sollen demnächst Energien von 14 TeV erreicht werden und die Anzahl der Ereignisse pro Sekunde deutlich erhöht werden. Damit sind dann neue Einblicke in die Welt der Elementarteilchen und auch in die Geschichte unseres Universums möglich.

Drittmittel in Höhe von 1,5 Millionen Euro eingeworben
An der Entwicklung und am Bau der neuen „Ausbaustufe“ des Teilchenbeschleunigers beteiligt waren auch Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU): Professor Thomas Trefzger, Inhaber des Lehrstuhls für Physik und ihre Didaktik, Professor Raimund Ströhmer vom gleichen Lehrstuhl und Professor Ansgar Denner als Vertreter der Theoretischen Physik. Beim Bundesforschungsministerium haben sie dafür Drittmittel in Höhe von insgesamt rund 1,5 Millionen Euro eingeworben.

„Wir waren dafür verantwortlich, für das ATLAS-Experiment am LHC wichtige Bauteile zu konstruieren“, erklärt Thomas Trefzger. Der ATLAS-Detektor ist einer von vier großen Detektoren an dem Ringbeschleuniger in Genf. Er zeichnet Teilchenkollisionen mit einer hohen Auflösung auf und speichert die Daten zur weiteren Analyse. Dabei konzentriert er sich auf sogenannte Myonen – eine Art „schwere Brüder“ des Elektrons, die allerdings nur für den millionstel Bruchteil einer Sekunde existieren, bevor sie in Elektronen und Neutrinos zerfallen.

Höhere Energie führt zu besseren Ergebnissen
„Wir wissen, dass das Higgs-Teilchen oft in zwei Elementarteilchen, sogenannte Z-Bosonen, zerfällt, die ihrerseits in jeweils zwei unterschiedliche Myonen zerfallen können“, erklärt Trefzger. Diese vier Myonen muss der ATLAS-Detektor in seinen „Myonkammern“ aufspüren und ihren Impuls und ihre Energie bestimmen, damit die Physiker in einer Rückwärtsberechnung die Masse des Higgs-Teilchens, aber auch die von anderen Elementarteilchen ermitteln können.

Das hat in der Vergangenheit schon ganz gut geklappt und unter anderem zum Nachweis des Higgs-Bosons geführt. Noch bessere Ergebnisse versprechen sich die CERN-Verantwortlichen jedoch von der jetzt nochmals gesteigerten Energie des Protonenstrahls. Der Nachteil dabei: „Mit der bisherigen Ausstattung wäre ATLAS nicht in der Lage, die gewaltige Zahl an Kollisionen verlässlich zu registrieren und auszuwerten, die wir erwarten. Er würde zu viele ‚falsche Myonen‘ erkennen“, erklärt Trefzger.

Schraubarbeiten im Reinraum
Damit dies nicht passiert, haben die Würzburger Physiker gemeinsam mit Kollegen in München, Freiburg und Mainz neuartige Myonkammern entwickelt und gebaut. In Würzburg wurden dafür zwei Quadratmeter große Metallnetze unter Reinraumbedingungen und mit höchster Präzision zusammengefügt. Den Zwischenraum füllt ein spezielles Gas, das den hohen technischen Anforderungen genügt.

„Das hört sich vermutlich recht banal an: Metallnetze zusammenschrauben“, sagt Trefzger mit einem Lächeln. Dabei seien die Anforderungen extrem hoch. Winzige Abweichungen könnten schließlich zu Entladungen führen, die den Messprozess stören; ein ungeeignetes Gas produziert Ablagerungen, die die Ergebnisse verfälschen, und die Erwartungen an die Haltbarkeit sind hoch: „15 Jahre sollten diese Teile mindestens funktionieren“, so Trefzger.

Zwei Monate Shutdown wegen Corona
In seiner neuen Ausbaustufe kann ATLAS nun Myon-Signale innerhalb von nur 200 Nanosekunden auslesen – vier Mal so schnell wie sein Vorgänger. Der Detektor kann also in der gleichen Zeit wesentlich mehr Ereignisse verarbeiten als bisher. Zudem verbessert sich die räumliche Auflösung und damit die Messgenauigkeit der Myon-Impulse. Somit wird es möglich sein, die physikalischen Eigenschaften der beobachteten Teilchen sehr viel genauer zu bestimmen als es bislang möglich war.

Ende 2020 waren die neuen Myonkammern fertig, dann ging erst einmal nichts voran: Coronabedingt war am LHC Shutdown angesagt. Inzwischen ist der Einbau so gut wie fertig. Zwei Mitarbeiter von Thomas Trefzger sind dafür dauerhaft vor Ort an dem Teilchenbeschleuniger zugange. Sie verkabeln die Kammern, kontrollieren den Zusammenbau, nehmen sie in Betrieb und führen eine Reihe von Tests durch. Erst wenn klar ist, dass eine Kammer funktioniert, wird sie endgültig eingebaut.

Unerwartete Ergebnisse sind die spannendsten
Beendet ist die Würzburger Beteiligung an dem gewaltigen Experiment damit nicht: „Wir sind auch an der Analyse der Daten beteiligt, die die Detektoren in den kommenden Jahren liefern werden“, sagt Trefzger. Diese Datenmenge ist gigantisch: ATLAS produziert in vollem Betrieb jährlich etwa vier Petabyte – also 4.000 Terabyte Daten, auf die die beteiligten Wissenschaftler weltweit zugreifen werden.

Ob sich in ihnen nochmal solch eine Sensation wie das Higgs-Boson verbirgt? Das lässt sich nicht vorhersagen, so Trefzger. Im Prinzip gehe es darum, die Prozesse, die sich in winzigen Bruchteilen von millionstel Sekunden nach dem Zusammenprall der Protonen vollziehen, genauer zu verstehen. Spannend werde es, wenn dabei Abweichungen von den erwarteten Ergebnissen zu sehen sind. Dann stelle sich die Frage: Ist es ein neues Teilchen?

Und wem das noch nicht spektakulär genug ist: Je höher die Energien sind, mit denen die Teilchenstrahlen in dem Beschleuniger aufeinander prallen, desto näher rücken die Physiker bildlich gesprochen an den Urknall heran. „Momentan blicken wir auf die Zustände zurück, die eine zehntausendstel Sekunde nach dem Urknall herrschten“, sagt Trefzger. Die Grundfragen – Woher kommen wir? Wie ist das Universum entstanden? Warum gibt es die Materie so, wie wir sie finden? – lassen sich damit noch nicht beantworten.

Der ATLAS-Detektor
ATLAS ist der größte Teilchendetektor, der jemals an einem Beschleuniger gebaut wurde: Er ist etwa so groß wie ein fünfstöckiges Haus. ATLAS erforscht ein breites Spektrum physikalischer Phänomene. Beispiele sind die präzise Vermessung der Eigenschaften des Higgs-Teilchens, Präzisionstests des Standardmodells der Teilchenphysik oder die Suche nach neuen Teilchen und Phänomenen. Hierzu gehören beispielsweise die Suchen nach supersymmetrischen Teilchen und nach zusätzlichen Raumdimensionen.

Hauptmerkmal von ATLAS ist das ringförmige Magnetsystem. Es besteht aus acht 25 Meter langen supraleitenden Magnetspulen, die zylinderförmig um das Strahlrohr angeordnet sind. Sie erzeugen ein ringförmiges, sogenanntes toroides Magnetfeld, das in der Kollision entstandene Myonen im äußeren Bereich des Detektors ablenkt. In einem weiteren Magnetfeld im Innern des Detektors werden die Impulse aller in der Kollision entstandenen geladenen Teilchen vermessen. Mehr als 3200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 177 Instituten aus 38 Ländern arbeiten am ATLAS-Experiment. Aus Deutschland sind 18 Institutionen beteiligt.

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• Large Hadron Collider

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